Modulasi Optik Infra Merah Dekat Efisien melalui Transisi Interband Grafit Terkait Resonansi Magnet Metamaterial

Latar Belakang

Mengontrol secara dinamis properti spektral gelombang elektromagnetik oleh rangsangan eksternal seperti gaya mekanis, perubahan suhu, tegangan listrik, dan radiasi laser [1,2,3,4] telah menarik minat yang meningkat, karena banyak aplikasi di bidang teknologi tampilan holografik, sensing berkinerja tinggi, dan komunikasi optik. Dalam beberapa tahun terakhir, banyak upaya telah dilakukan untuk secara aktif memanipulasi spektrum transmisi, refleksi, atau serapan gelombang elektromagnetik, yang didasarkan pada konduktivitas permukaan grafit yang dapat diubah secara listrik, dalam rentang frekuensi yang sangat luas termasuk mikrogelombang [5, 6], terahertz (THz) [7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33], inframerah [34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65], dan regime visibel [66,67,68,69]. Manipulasi gelombang elektromagnetik berbasis grafit yang aktif ini di bawah rangsangan listrik tanpa rekonfigurasi struktur, yang bertujuan untuk memodulasi amplitudo [5, 7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21, 34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57, 66,67,68,69,70,71,72], fasa [6, 22,23,24,25,26,27,28, 58,59,60,61,62], dan polarisasi [29,30,31,32,33, 63,64,65] gelombang elektromagnetik. Tiga jenis modulator gelombang elektromagnetik ini adalah yang paling penting untuk pemrosesan sinyal dalam komunikasi optik ruang bebas [1,2,3,4]. Dalam regime inframerah jauh dan THz, konduktivitas permukaan grafit hanya terdiri dari kontribusi intraband, dan grafit memiliki fungsi dielektrik efektif yang dapat dijelaskan dengan model Drude standar [27]. Oleh karena itu, pada frekuensi lebih rendah, sangat mirip dengan logam mulia (misalnya Ag dan Au), grafit yang terstruktur nano juga dapat mendukung resonansi plasmon permukaan lokal atau delokal [73] dengan peningkatan medan elektromagnetik yang besar, yang telah banyak digunakan untuk memperkuat interaksi cahaya-materi untuk modulasi gelombang elektromagnetik yang efisien. Misalnya, pada 2012, Sensale-Rodriguez et al. secara teoretis menyajikan modulator refleksi dengan performa yang luar biasa pada frekuensi THz, dengan memanfaatkan efek plasmonik dalam mikro-pita grafit [9]. Dalam regime visibel dan infra merah dekat, kontribusi interband mendominasi konduktivitas permukaan grafit, di mana permittivitas kompleksnya memiliki bagian nyata positif. Jadi, pada frekuensi lebih tinggi, grafit itu sendiri tidak lagi mendukung resonansi plasmon permukaan, tetapi berperilaku lebih seperti film dielektrik tipis ultra ketika berinteraksi dengan cahaya. Dalam situasi ini, berbagai mode resonansi berkualitas tinggi yang didukung dalam materi terstruktur nano lainnya sering dieksplorasi untuk memodulasi gelombang elektromagnetik secara listrik, dengan bantuan energi Fermi grafit yang dapat dikontrol melalui gate. Misalnya, Yu et al. mempelajari secara teoretis modulasi amplitudo cahaya visibel dengan grafit, dengan memanfaatkan interferensi Fabry-Perot, mode Mie dalam nanobola dielektrik dengan indeks refraksi tinggi, dan resonansi jaringan permukaan dalam array periodik nanopartikel logam [67]. Dalam dekade terakhir, resonansi magnet dalam metamaterial telah dipelajari secara luas dan intensif untuk mencapai penyerab sempurna gelombang elektromagnetik [74,75,76,77,78]. Namun, sampai saat ini, hanya sedikit studi tentang modulator optik yang didasarkan pada resonansi magnet dalam metamaterial dengan monolaer grafit yang disisipkan [34].

Kami akan mengusulkan metode efisien untuk memodulasi spektrum refleksi gelombang elektromagnetik di daerah infra merah dekat, dengan menggabungkan transisi interband grafit dengan resonansi dipol magnet dalam metamaterial. Ditemukan bahwa spektrum refleksi metamaterial dapat dikurangi secara besar-besaran dalam rentang panjang gelombang di bawah transisi interband grafit, karena medan elektromagnetik yang ditingkatkan dari resonansi dipol magnet sangat meningkatkan serapan cahaya dalam grafit. Kedalaman modulasi maksimum dari amplitudo refleksi dapat mencapai sekitar 40% dekat panjang gelombang resonansi dipol magnet, untuk transisi interband mendekati resonansi dipol magnet, ketika tegangan eksternal diterapkan untuk mengubah energi Fermi grafit.

Metode

Kami secara skematis menunjukkan dalam Gambar 1 blok bangunan metamaterial yang diteliti untuk modulasi refleksi yang efisien di daerah infra merah dekat, melalui interaksi antara resonansi dipol magnet dan transisi interband grafit. Kami melakukan perhitungan numerik oleh paket perangkat lunak komersial "EastFDTD" [79, 80]. Lapisan silika memiliki indeks refraksi 1,45, dan nanostrip perak dan substrat memiliki fungsi dielektrik eksperimental [81]. Grafit memiliki permittivitas relatif yang dihitung oleh rumus berikut [82]:

Skematis blok bangunan metamaterial. Parameter geometris: periode p_x sepanjang arah sumbu x, ketebalan t dari spasi silika, lebar w, dan tinggi h dari nanostrip perak

di mana σ_intra dan σ_inter adalah istilah intraband dan interband dari konduktivitas permukaan grafit, τ adalah waktu relaksasi elektron-fonon, E_f adalah energi Fermi, dan t_g adalah ketebalan grafit. Metamaterial yang diteliti dapat direalisasikan dalam eksperimen dengan bantuan teknologi fabrikasi nano canggih [83]. Pertama, substrat perak dan lapisan silika disiapkan oleh penguapan termal. Kemudian, monolaer grafit dilapisi pada permukaan silika melalui depoesi fasa uap kimia. Akhirnya, array periodik nanostrip perak difabrikasi oleh litografi aliran elektron.

Hasil dan Pembahasan

Kami pertama kali membahas spektrum refleksi metamaterial tanpa grafit, seperti yang ditunjukkan oleh garis hitam dan persegi dalam Gambar 2a. Celah refleksi lebar pada 1210 nm diamati, yang terkait dengan resonansi dipol magnet. Ketika grafit disisipkan ke dalam metamaterial, refleksi berkurang secara besar-besaran untuk panjang gelombang yang lebih kecil dari 1150 nm (posisi transisi interband dalam grafit), seperti yang ditunjukkan oleh garis merah dan lingkaran dalam Gambar 2a. Alasannya adalah bahwa medan elektromagnetik yang ditingkatkan dari eksitasi resonansi dipol magnet sangat meningkatkan serapan cahaya grafit. Secara bersamaan, kedalaman modulasi refleksi yang diinduksi grafit akan secara bertahap meningkat dari sekitar 11 hingga 28%, saat panjang gelombang cahaya meningkat dari 1000 nm ke posisi transisi interband, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b. Kedalaman modulasi umumnya didefinisikan sebagai (R-R₀)/R₀, di mana R dan R₀ adalah spektrum refleksi dengan dan tanpa grafit yang disisipkan dalam metamaterial [34].

Untuk menunjukkan bahwa celah refleksi lebar relevan dengan dipol magnet, dalam Gambar 3, kami memplot medan elektromagnetik pada bidang xoz pada panjang gelombang 1210 nm. Medan listrik terutama tersedak di sekitar tepi nanostrip perak, dan medan magnet sebagian besar terlokalisasi di daerah silika di bawah nanostrip perak. Distribusi medan adalah properti khas dari resonansi dipol magnet [84]. Di antara substrat perak dan masing-masing nanostrip, hibridisasi medan dekat plasmonik menghasilkan arus anti-paralel, seperti yang diindikasikan oleh dua panah hitam dalam Gambar 3b. Arus anti-paralel dapat menciptakan momen magnet M yang menentang medan magnet insiden untuk membentuk resonansi dipol magnet. Panjang gelombang resonansi sangat tergantung pada lebar w dari nanostrip perak, yang akan mengalami red-shift yang jelas ketika w ditingkatkan.

Posisi transisi interband dapat dengan mudah disesuaikan ketika tegangan eksternal diterapkan untuk mengubah energi Fermi E_f. Kemampuan penyesuaian posisi transisi interband sangat membantu untuk mengontrol spektrum refleksi secara efisien. Untuk E_f meningkat dari 0,46 hingga 0,58 eV, transisi interband bergeser ke biru dengan cepat, seperti yang ditunjukkan oleh lingkaran terbuka dalam Gambar 4a. Secara bersamaan, refleksi berkurang secara signifikan dalam rentang panjang gelombang di bawah transisi interband. Dekat panjang gelombang resonansi dipol magnet, refleksi berkurang hingga minimum sekitar 0,55, saat transisi interband disesuaikan secara bertahap untuk melintasi resonansi dipol magnet broadband. Gambar 4b menunjukkan efek modulasi refleksi yang diinduksi grafit untuk berbagai E_f. Dengan menurunkan E_f, kedalaman modulasi spektrum refleksi menjadi lebih besar dan mencapai maksimum hampir 40% ketika E_f = 0,46 eV. Selain itu, rentang panjang gelombang yang dapat disesuaikan juga menjadi jauh lebih luas, karena red-shift berkelanjutan dari transisi interband ketika E_f diturunkan. Namun, dalam rentang panjang gelombang di atas transisi interband, spektrum refleksi tidak dimodulasi dibandingkan dengan kasus tanpa grafit, dan oleh karena itu kedalaman modulasi hampir nol.

Transisi interband berkaitan erat dengan energi Fermi E_f, yang dapat sepenuhnya diwujudkan sebagai fitur spektral tajam dalam permitivitas ε_g grafit. Dalam Gambar 5, kami memberikan bagian nyata dan imajiner dari ε_g untuk berbagai E_f. Untuk setiap E_f, terdapat puncak sempit dalam bagian nyata dari ε_g, dan secara bersamaan penurunan tiba-tiba muncul dalam bagian imajiner dari ε_g. Dengan menurunkan E_f, fitur spektral tajam ini bergeser ke merah secara jelas. Dalam rentang panjang gelombang di sisi kanan penurunan tiba-tiba, bagian imajiner dari ε_g sangat kecil. Inilah sebabnya mengapa spektrum refleksi tidak dimodulasi untuk panjang gelombang di atas transisi interband. Ketergantungan posisi transisi interband pada energi Fermi E_f ditunjukkan dalam Gambar 6. Kami dapat dengan jelas melihat bahwa posisi puncak bagian nyata dari ε_g dalam persetujuan yang baik dengan yang ditunjukkan oleh lingkaran terbuka dalam Gambar 4a.

Kesimpulan

Kami telah secara numerik mendemonstrasikan metode untuk memodulasi spektrum refleksi gelombang elektromagnetik di daerah infra merah dekat secara efisien, dengan menggabungkan transisi interband grafit dengan resonansi dipol magnet dalam metamaterial. Ditemukan bahwa spektrum refleksi dapat dikurangi secara besar-besaran dalam rentang panjang gelombang di bawah transisi interband grafit, karena medan elektromagnetik yang ditingkatkan dari resonansi dipol magnet sangat meningkatkan serapan cahaya dalam grafit. Kedalaman modulasi maksimum dari spektrum refleksi dapat mencapai sekitar 40% dekat panjang gelombang resonansi dipol magnet, untuk transisi interband mendekati resonansi dipol magnet, ketika tegangan eksternal diterapkan untuk mengubah energi Fermi grafit. Efek modulasi refleksi yang disajikan dalam pekerjaan ini mungkin menemukan aplikasi potensial dalam sistem komunikasi optik.

Ketersediaan Data dan Material

Semua data sepenuhnya tersedia tanpa pembatasan.